04 Apr Doppelkammspektroskopie bei schwachem UV-Licht
Forscher des Max-Born-Instituts (MBI) in Berlin und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching berichten über eine Technik zur Entschlüsselung der Eigenschaften von Materie mit ultraviolettem Licht. Damit sollen viele Substanzen gleichzeitig und mit hoher chemischer Selektivität nachgewiesen und präzise quantifiziert werden können. Dabei werden dem Bericht zufolge die Atome und Moleküle im UV bei sehr schwachen Lichtstärken abgefragt.
Die Experimente, bei denen zwei optische Frequenzkämme und ein Photonenzähler zum Einsatz kommen, widmen sich der Doppelkammspektroskopie bei schwachen Lichtverhältnissen. Sie sollen den Weg für neuartige Anwendungen der Diagnostik auf Photonenebene bereiten, darunter die Präzisionsspektroskopie einzelner Atome oder Moleküle für grundlegende Tests der Physik sowie der UV-Fotochemie in der Erdatmosphäre oder von Weltraumteleskopen aus.
Vielversprechend auch bei schwachem Licht
Die Doppelkammspektroskopie gilt als leistungsstark und präzise über eine große spektrale Bandbreite. Sie wurde bisher hauptsächlich für die lineare Infrarotabsorption kleiner Moleküle in der Gasphase eingesetzt und verspricht ein großes Potenzial für hohe Genauigkeit. Allerdings erfordert sie in der Regel intensive Laserstrahlen, sodass sich die Methode weniger für Szenarien mit geringer Lichtstärke eignet. Das MPQ-Team hat nun aber experimentell gezeigt, dass die Doppelkammspektroskopie auch bei Leistungen funktioniert, die weniger als ein Millionstel der üblicherweise verwendeten betragen. Dabei kamen zwei Versuchsaufbauten mit verschiedenartigen Frequenzkammgeneratoren zum Einsatz. Das Team entwickelte ein Interferometer, das die Statistik der Photonenzählung genau aufzeichnet und ein Signal-Rausch-Verhältnis an der Fundamentalgrenze aufweist.
Die Forscher haben eigenen Angaben zufolge die Kohärenz von zwei Kammlasern bei einem Femtowatt pro Kammlinie kontrolliert und einen optimierten Aufbau der Zählstatistik ihres Interferenzsignals über Zeiten von mehr als einer Stunde nachgewiesen. “Unser Ansatz für die Interferometrie bei schwachem Licht überwindet die Herausforderungen, die sich aus der geringen Effizienz der nichtlinearen Frequenzumwandlung ergeben“, kommentiert Postdoktorand Bingxin Xu, der die Experimente leitete. Dies sei eine solide Grundlage für die Ausweitung der UV-Doppelkammspektroskopie auf noch kürzere Wellenlängen.
Breitbandspektroskopie im Extrem-UV
Eine mögliche künftige Anwendung ist die Breitbandspektroskopie im Extrem-UV. Sie ist bisher in Bezug auf Auflösung und Genauigkeit begrenzt und instrumentell sehr aufwendig. Dank dieser Forschung, so ein Fazit des Berichts, ist sie nun realistisch geworden
Hintergrund
Die Ultraviolett-Spektroskopie spielt eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung von elektronischen Übergängen in Atomen und rovibronischen Übergängen in Molekülen. Diese wiederum sind interessant für Tests der fundamentalen Physik, der Theorie der Quantenelektrodynamik, zur Bestimmung fundamentaler Konstanten, für Präzisionsmessungen, optische Uhren oder die Astro- und Starkfeldphysik. Wissenschaftler der Gruppe von Nathalie Picqué haben nun die hochauflösende lineare Absorptions-Doppelkammspektroskopie im UV implementiert. Sie sei wegweisend und eröffne neue Möglichkeiten für Experimente unter Schwachlichtbedingungen, so die Wissenschaftler.
Originalpublikation:
[Bingxin Xu et al.: Near-ultraviolet photon-counting dual-comb spectroscopy; Nature 627, 289–294 (2024), DOI: 10.1038/s41586-024-07094-9]
Quelle: www.mbi-berlin.de
Bild: T.W. Hänsch, MPI für Quantenoptik, und N. Picqué, MPI für Quantenoptik, Max-Born-Institut
